JP2018040043A - 焼結軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動圧溝を形成することなく、高速回転する軸を安定的に支持可能な焼結軸受を提供する。【解決手段】焼結軸受は、鉄粉の表面を銅で被覆した銅被覆鉄粉、及び、銅よりも融点が低い低融点金属粉を含む焼結体からなる。鉄粉の粒度は、１４５メッシュ以下である。このように、銅被覆鉄粉を微細化することで、焼結体に形成される空孔が微細化されると共に、空孔径が均一化される。これにより、焼結軸受の油膜形成能力が高められ、軸受面の全面に均一に油膜が形成されやすくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、焼結軸受及びその製造方法に関する。

焼結軸受は、内部空孔に潤滑油を含浸させた焼結体であり、支持すべき軸との相対回転に伴い焼結体の内部に含浸された潤滑油が軸との摺動部に滲み出して油膜を形成し、この油膜を介して軸を回転支持するものである。

焼結軸受としては、鉄系あるいは銅系の焼結体からなるものが知られている。鉄系の焼結軸受は、材料強度は高いが、材質が硬いため、軸との摺動性が劣る。一方、銅系の焼結軸受は、材質が柔らかいため軸との摺動性は優れているが、鉄系と比べて材料強度が劣る。

そこで、鉄粉粒子の表面に銅を被覆した銅被覆鉄粉を用いた焼結軸受が知られている。このように、鉄粉粒子の表面が銅で被覆されていることで、軸受面の大部分が銅で形成されるため、軸を傷つけにくく、滑らかな摺動が得られる。また、銅を主体とする軸受面の下に、鉄を主体とした強固な骨格が形成されるため、軸受全体の強度が確保される。

例えば特許文献１には、粒度が８０メッシュ以下の銅被覆鉄粉を用いた焼結軸受が示されている。

特許第３６１３５６９号公報

上記のような焼結軸受は、比較的低速（例えば周速３００ｍ／ｍｉｎ以下）で回転する回転軸を支持する用途で使用されることが多い。しかし、周速が６００ｍ／ｍｉｎを超えるような高速で回転する軸を支持する場合、従来の焼結軸受では軸を安定的に支持することが困難となる。例えば、焼結軸受の内周面に動圧溝を形成すれば、油膜の圧力が高められ、軸を安定的に支持することができるが、動圧溝の形成にはコストがかかる。

本発明が解決すべき課題は、動圧溝を形成することなく、高速回転する軸を安定的に支持可能な焼結軸受を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、鉄粉の表面を銅で被覆した銅被覆鉄粉、及び、銅よりも融点が低い低融点金属粉を含む焼結体からなる焼結軸受であって、前記鉄粉の粒度が１４５メッシュ以下である焼結軸受を提供する。

尚、粒度が１４５メッシュ以下の粉末とは、目開きが１４５メッシュ（約１０６μｍ）の篩を通過可能な粉末（すなわち、目開き１４５メッシュの篩を通過できない粒子を含まない粉末）のことを言う。粉末の粒度は、例えばレーザー回折・散乱法で測定される。

このように、銅被覆鉄粉を用いて焼結軸受を形成することで、上述のように、軸受面に銅を多く露出させて軸との摺動性が高められると共に、鉄の骨格が形成されるため焼結体の強度が高められる。このような焼結軸受において、銅被覆鉄粉の核となる鉄粉の粒度を１４５メッシュ以下まで微細化することで、焼結体に形成される空孔、特に、軸受面に開口した空孔が微細化されると共に、空孔径が均一化されるため、焼結軸受の油膜形成能力が高められる。

具体的に、図１に、１００メッシュ以下の鉄粉を核とする銅被覆鉄粉を用いた焼結軸受の油膜形成率（比較品、左図参照）と、１４５メッシュ以下、具体的には３２５メッシュ以下の鉄粉を核とする微細な銅被覆鉄粉を用いた焼結軸受の油膜形成率（本発明品、右図参照）の測定結果を示す。同図は、油膜形成率１００％の水平線から下方に延びる垂直線が短いほど、油膜形成率が１００％に近く、同垂直線が長いほど、油膜形成率が低いことを示す。比較品は、油膜形成率が１００％となる期間がほとんど無いのに対し、本発明品は、油膜形成率がほぼ常に１００％を示している。このように、本発明品は、油膜形成率が高いため、軸受面の全面に均一に油膜が形成されやすく、高速回転する軸を安定的に支持することができる。尚、油膜形成率の測定は、軸と軸受との間に電圧をかけながら、これらを相対回転させ、これらの間の通電量（電圧）を測定することにより行うことができる。

また、上記のように目開きの小さい篩で鉄粉を篩分けすることで、歪な粒子が除外されるため、鉄粉の各粒子は比較的球形に近い形状を成している。このように比較的球形に近い鉄粒子を核とする銅被覆鉄粉は、流動度が高く、フォーミング金型内にスムーズに充填することができる。これにより、原料粉の粒子がブリッジを形成して粗大な空孔を形成することを防止できるため、軸受面の全面に均一な油膜がより一層形成されやすくなる。

銅被覆鉄粉の核となる鉄粉としては、元々比較的球形に近いアトマイズ粉を用いることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、銅被覆鉄粉を用いた焼結軸受において、軸受面の全面に均一に油膜が形成されやすいため、動圧溝を形成することなく、高速回転する軸を安定的に支持することができる。

比較品（左図）及び本発明品（右図）の油膜形成率の測定結果を示すグラフである。 焼結軸受の断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明の一実施形態に係る焼結軸受１は、図２に示すように円筒状を成した焼結体からなる。焼結軸受１の内周面１ａには、動圧溝が形成されていない平滑な円筒面状の軸受面が設けられる。本実施形態では、焼結軸受１の内周面１ａの全面が軸受面として機能する。焼結軸受１の内周には軸２が挿入される。

焼結軸受１を構成する焼結体は、各種粉末を混合した原料粉を金型に充填し、これを圧縮して圧粉体を成形した後、圧粉体を焼結することで形成される。原料粉は、銅被覆鉄粉を主成分とする混合粉末であり、例えば銅被覆鉄粉を９５ｗｔ％以上含む。

銅被覆鉄粉は、鉄粉の表面を銅層で被覆した粉末である。本実施形態では、鉄粉にメッキ（電解メッキあるいは無電解メッキ）を施すことにより、鉄粉の表面が銅で被覆される。鉄粉を被覆する銅の割合は、例えば鉄粉に対して２０〜４０ｗｔ％とされる。鉄粉を被覆する銅の膜厚は、例えば０．１〜２５μｍとされる。

銅被覆鉄粉の核となる鉄粉は、１４５メッシュ以下の粉末、すなわち１４５メッシュ（目開き約１０６μｍ）の篩を通過可能な粉末が使用される。本実施形態では、銅被覆鉄粉の核となる鉄粉として、例えば、３２５メッシュ以下の粉末、すなわち３２５メッシュ（目開き約４５μｍ）の篩を通過させた粉末が使用される。鉄粉としては、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉等の公知の粉末が広く使用可能であり、例えば、比較的球形に近いアトマイズ鉄粉を使用できる。

尚、還元鉄粉は、通常、歪な形状の粒子を多く含んでいるが、上記のように目開きの小さい篩を通過させることで、歪な形状の粒子が除外されるため、比較的球形に近い粒子が残る。従って、銅被覆鉄粉の核となる鉄粉として、還元鉄粉を使用することも可能である。還元鉄粉は、スポンジ鉄粉とも呼ばれ、粒子の内部に無数の微小空孔を有するため、塑性変形しやすい。このため、還元鉄粉を含む原料粉を圧縮すると、還元鉄粉が塑性変形して他の粒子と絡み付きやすいため、圧粉体の強度、さらには圧粉体に焼結を施した焼結体の強度を高めることが可能となる。

低融点金属粉は、焼結時のバインダーとして添加される。低融点金属粉としては、融点が銅よりも低い金属粉、特に融点が７００℃以下の金属粉、例えば錫、亜鉛、リン合金等の粉末が使用される。本実施形態では、これらの中でも銅と鉄に拡散し易く、また単粉で使用することが容易な錫粉、特にアトマイズ錫粉を使用する。低融点金属粉は、焼結時に液相となって移動し、元の場所に空孔を形成する。従って、空孔を微細化するためには、低融点金属粉として、粒度が小さいもの（例えば粒度が１４５メッシュ以下、望ましくは粒度が２５０メッシュ以下、さらに望ましくは粒度が３２５メッシュ以下のもの）を使用するのが好ましい。

尚、銅と低融点金属を合金化させた合金化銅粉（例えば青銅粉）を使用することも可能である。ただし、この種の合金化銅粉は、一般に硬質で変形しにくいため、圧紛体の成形時に粒子間に隙間を生じやすくなり、焼結後の空孔が粗大化する要因となる。従って、上記のように、低融点金属の単体粉を配合することが好ましい。

上記の原料粉には、必要に応じて各種成形助剤（例えば成形用潤滑剤）を添加してもよい。本実施形態では、上記の原料粉に対して、成形用潤滑剤が０．１〜１．０ｗｔ％配合される。成形用潤滑剤としては、例えば金属セッケン（ステアリン酸カルシウム等）やワックスを使用できる。ただし、これらの成形用潤滑剤は、焼結により分解・消失して粗大気孔の要因となるため、成形用潤滑剤の使用量はなるべく抑えることが好ましい。

また、原料粉に、固体潤滑剤を添加してもよい。固体潤滑剤としては、例えば黒鉛粉を使用できる。黒鉛粉は、軸受面に露出することで、軸との摺動を潤滑する役割を果たす。しかし、本実施形態のように高速回転する軸を支持する焼結軸受の場合、軸受面に露出した黒鉛に摩耗粉等の異物が絡み付いて、かえって摺動性を悪化させる恐れがある。従って、特に高速回転する軸を支持する場合には、固体潤滑剤を配合しないことが好ましいこともある。

また、原料粉に、他の金属粉を添加してもよく、例えば銅の単体粉を添加してもよい。銅の単体粉としては、電解銅粉やアトマイズ銅粉を使用することができる。

本実施形態の原料粉は、銅被覆鉄粉、錫粉、及び成形用潤滑剤のみからなり、固体潤滑剤や他の金属粉は含まない。原料粉は、銅の含有量が１５ｗｔ％〜４０ｗｔ％、低融点金属の含有量が１ｗｔ％〜４ｗｔ％、残部が鉄となるように、各粉末の組成や配合量が調整される。

上記の原料粉をフォーミング金型の内部に充填し、圧縮することで、圧粉体が成形される。このとき、原料粉に含まれる鉄粉が微細であることで、圧粉体に形成される空孔が微細化されると共に、空孔径が均一化される。しかし、このように鉄粉が微細であると、原料粉の流動性が不足し、金型内部に均一に充填されず、圧粉体に粗大空孔が形成される恐れがある。この場合、一般的な対策としては、原料粉の粒度分布の幅を広げて大きめの粒子を含ませることで、大きな粒子同士の間の隙間に小さな粒子を入り込ませ、粗大空孔の形成を防止することが多い。

本発明では、原料粉の粒度分布の幅を広げることなく、微細な鉄粉の表面を銅で被覆することで、銅被覆鉄粉の粒度が若干大きくなり、原料粉の流動性が改善される。また、比較的球形に近い鉄粉を核とする銅被覆鉄粉を用いることで、原料粉の流動性がさらに高められる。以上により、粒度１４５メッシュ以下、好ましくは粒度２５０メッシュ以下、より好ましくは粒度３２５メッシュ以下の微細な鉄粉を含む原料粉を、金型の内部に均一に充填することができるため、微細且つ径が均一な内部空孔を有する圧粉体を得ることができる。

上記の圧粉体を焼結することで、焼結体が得られる。焼結温度は、低融点金属の融点以上で、かつ銅の融点以下の温度とされ、具体的には８００℃〜９００℃程度とする。圧粉体を焼結することにより、圧粉体中の錫粉が液相となって銅被覆鉄粉の銅層の表面を濡らし、銅の焼結が促進される。また、焼結中に液相となった錫粉がバインダーの役割を果たす。以上により、銅被覆鉄粉同士、及び、銅被覆鉄粉の鉄粒子と銅層とが強固に結合される。尚、本実施形態では、原料粉や焼結雰囲気が炭素を含まず、且つ、焼結温度が９００℃以下であるため、焼結体の鉄組織は全てフェライト相となる。

この焼結体は、例えば密度が６．０〜７．２ｇ／ｃｍ^３（好ましくは６．９〜７．２ｇ／ｃｍ^３）、開放気孔率が５〜２０％（好ましくは６〜１８％）とされる。この焼結体の内部空孔に、油を含浸させる。油は、例えば、４０℃における動粘度が１０〜２００ｍｍ^２／ｓｅｃ、好ましくは１０〜６０ｍｍ^２／ｓｅｃであり、且つ、粘度指数が１００〜２５０であるものが使用される。以上により、本実施形態の焼結軸受１が完成する。尚、開放気孔率は、ＪＩＳ Ｚ２５０１：２０００に記載の方法で測定される。

本実施形態の焼結軸受１では、内部空孔、特に軸受面に開口した空孔が微細化され、且つ、空孔径が均一化されているため、軸２の回転時に、軸受面の全面に油膜が形成されやすい。このため、軸２が高速（例えば周速６００ｍ／ｍｉｎ以上）で回転する場合でも、焼結軸受１の内周面１ａと軸２の外周面２ａとの間の軸受隙間の全周に連続的に油膜を形成することができるため、軸２を安定的に支持することができる。

以上の実施形態では、本発明を、高速回転する軸を支持する焼結軸受に適用した場合を説明したが、もちろん、通常の回転数（例えば３００ｍ／ｍｉｎ程度）の軸を支持する焼結軸受に本発明を適用することも可能である。

また、本発明の焼結軸受は、軸が回転する場合だけでなく、軸を固定して焼結軸受側が回転する場合にも適用することができる。

１ 焼結軸受
２ 軸

Claims (4)

1. 鉄粉の表面を銅で被覆した銅被覆鉄粉、及び、銅よりも融点が低い低融点金属粉を含む焼結体からなる焼結軸受であって、
   前記鉄粉の粒度が１４５メッシュ以下である焼結軸受。
2. 前記鉄粉がアトマイズ粉である請求項１に記載の焼結軸受。
3. 鉄粉の表面を銅で被覆した銅被覆鉄粉、及び、銅よりも融点が低い低融点金属粉を含む原料粉を圧縮して圧粉体を成形する工程と、前記圧粉体を、前記低融点金属粉の融点よりも高く、銅の融点よりも低い温度で焼結して焼結体を得る工程とを有する焼結軸受の製造方法であって、
   前記鉄粉の粒度が１４５メッシュ以下である焼結軸受の製造方法。
4. 前記鉄粉がアトマイズ粉である請求項３に記載の焼結軸受の製造方法。